空分系統(tǒng)低溫液位計(jì) 非正常波動(dòng)的分析與處理
摘要：分析了空分系統(tǒng)低溫液位計(jì)非正常波動(dòng)現(xiàn)象及原因，提出了解決方法及注意事項(xiàng)。處理后液空液面的波動(dòng)值降低了16倍，主冷的波動(dòng)降低了3/4。
1、概述：
在空分系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到低溫液體液位計(jì)劇烈波動(dòng)、工況無法穩(wěn)定的情況。通常的做法是將正壓側(cè)取樣管路切換到備用支路，然后將原管路通過吹除的方法進(jìn)行處理后備用;另一種做法是用干燥的空氣氣源進(jìn)行反吹后投人使用。這些方法一般能臨時(shí)穩(wěn)定液位，但時(shí)間稍長(zhǎng)，液位波動(dòng)又會(huì)重新出現(xiàn)。
低溫液位計(jì)在空分工藝過程控制中舉足輕重，液位不穩(wěn)定，空分工藝過程就不穩(wěn)定，比如液空液位計(jì)顯示主冷液面和氫餾分的穩(wěn)定與否。主冷液面不穩(wěn)定將影響吸入空氣量，進(jìn)而影響蒸發(fā)量的穩(wěn)定，從而干擾帶氫系統(tǒng)的穩(wěn)定，而氫系統(tǒng)的不穩(wěn)定反過來又會(huì)影響主塔的工作狀態(tài)。同樣，粗氫II系統(tǒng)的粗氫液面不穩(wěn)定，同樣會(huì)對(duì)粗氫I的氧、氫粗分離帶來不利影響，從而波及餾分的穩(wěn)定，進(jìn)而影響主塔的工作狀態(tài)。
公司的20 000 Nm3/h等級(jí)制氧機(jī)組于2005年投產(chǎn)，該機(jī)組采用分子篩流程、膨脹空氣進(jìn)下塔的全低壓無氫制氫工藝。自投產(chǎn)至今，下塔液空液位波動(dòng)非常大，以600 mm為控制目標(biāo)液位，其標(biāo)準(zhǔn)偏差78. 6 mm(***高液位可以達(dá)到900 mm，較低液位可以達(dá)到300 mm )，導(dǎo)致主冷液位也波動(dòng)非常劇烈，以3 000 mm為控制目標(biāo)液位，其標(biāo)準(zhǔn)偏差157. 8 mm(***高液位3 400 mm，較低液位2 600 mm，其間還必須加上調(diào)節(jié)閥閥位限制功能，否則波動(dòng)更大。本文從不同方面分析了可能的原因，并經(jīng)過多次嘗試解決，提出了熱不平衡機(jī)理的假設(shè)，基于此假設(shè)形成了輔助加熱法AHM ( Auxiliary Heating Measure)解決方案，運(yùn)用后穩(wěn)定了所有的低溫液面，使該機(jī)組的各項(xiàng)指標(biāo)均超過了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為公司空分系統(tǒng)的節(jié)能增效找到了新的途徑。
2、問題分析：
2.1、排查：
針對(duì)下塔液空液面計(jì)非正常波動(dòng)，首先需分析工藝和儀表，以確定是否反映真實(shí)波動(dòng)，然后才能根據(jù)原因制定相應(yīng)的對(duì)策。
(1)排除v1調(diào)節(jié)閥和儀表的問題。公司先后建有六套制氧機(jī)組，除該套外，其余均未發(fā)生如此劇烈的液空波動(dòng)。因此，多數(shù)意見傾向于調(diào)節(jié)閥和儀表出現(xiàn)問題的可能性較大。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校調(diào)節(jié)閥和更換彈簧，解決了v1調(diào)節(jié)閥在20%開度左右輕微喘動(dòng)的現(xiàn)象，但是下塔液空液位波動(dòng)沒有明顯改善;然后對(duì)壓差式液位計(jì)更換和調(diào)試，波動(dòng)仍然不見有效改觀。據(jù)此可判斷，調(diào)節(jié)閥和壓差式液位計(jì)存在問題的可能性較小。系統(tǒng)表現(xiàn)為氧的產(chǎn)出基本沒有問題，但氫系統(tǒng)不穩(wěn)定，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)氮塞情況，整體空分操作難度大，工況不易穩(wěn)定。
(2)懷疑空壓機(jī)的壓力調(diào)節(jié)有問題，可能是吸人空氣量的波動(dòng)導(dǎo)致下塔工況不穩(wěn)定所致。但是通過下塔液空純度的分析，結(jié)合下塔阻力的變化情況，可認(rèn)為在篩板塔上出現(xiàn)問題的可能性較小，基本不存在落液的條件。
(3)懷疑整體工藝熱平衡的問題。由于該設(shè)備的板式換熱器是氣液混合式，中壓氧的汽化是在板式過程中完成的，在選型時(shí)板式換熱能力相對(duì)富裕量較小，因此板式中部溫度存在一定的起伏(一98 °C-一110°C )。但即使降低空分總的負(fù)荷量到90 %，仍然無法改變其液面波動(dòng)的事實(shí)，只是略微減輕而已。
通過咨詢?cè)O(shè)備廠家現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)人員，認(rèn)為有可能是下塔壓力較低所致，導(dǎo)致閥前后壓差不足。但V1閥門在氫系統(tǒng)未投人使用前開度約為50%，投人使用后開度平均在30%左右。因此，該原因的可能性不大，但仍然通過提升下塔壓力至0. 46 MPaG來試驗(yàn)，結(jié)果與0. 44 MPaG的壓力運(yùn)行效果一樣。
2.2、原因分析:
作者注意到一個(gè)現(xiàn)象，就是每次開車后液空液面出現(xiàn)幾天穩(wěn)定，而后就波動(dòng)如初了。根據(jù)這一現(xiàn)象，懷疑是液空液位計(jì)下取液管出了問題，但整個(gè)塔基溫度穩(wěn)定，大范圍出現(xiàn)溫度場(chǎng)異常的情況基本不可能發(fā)生。然后檢查加熱塊的工況，無論電壓還是電阻均未發(fā)現(xiàn)工作異常，因此重點(diǎn)從加熱塊周圍的熱負(fù)荷進(jìn)行分析，以期找出具體原因。
圖1低溫液位計(jì)配置圖
圖1為低溫液位計(jì)配置圖。如圖1所示，液空液位計(jì)的下取液管配備電加熱塊，同時(shí)還有液封。電加熱塊可以使到達(dá)其作用范圍的低溫液體汽化，形成前端是低溫液體后端是氣體的氣液兩相相對(duì)穩(wěn)定的過程。如果加熱塊的周圍溫度場(chǎng)較低或加熱塊不足以提供足夠的熱量，就有可能出現(xiàn)低溫液體涌過加熱塊，到達(dá)液封側(cè)，加之液封側(cè)可能出現(xiàn)變形，有可能在加熱塊與液封之間形成氣泡。該氣泡在周圍環(huán)境的作用下可能頻繁破裂和生成，導(dǎo)致下取液管的壓力顫振，從而出現(xiàn)液面波動(dòng)。
從圖1也可見，正常情況下在加熱塊與下塔之間應(yīng)該是低溫液態(tài)富氧空氣，而加熱塊與液封之間應(yīng)該是氣態(tài)富氧空氣。這樣，差壓變送器就可以準(zhǔn)確地測(cè)量出低溫液體的高度。但如果加熱塊工作不正常或其周圍溫度場(chǎng)較低，熱平衡就會(huì)偏移至液封處。更壞的情況是，如果低溫液體越過加熱塊到達(dá)液封處，那么，所測(cè)出的液位將比實(shí)際液位值低h, ,但當(dāng)h,值變?yōu)?時(shí)，測(cè)量值就與真實(shí)值相等，如圖2所示。而如果加熱塊后至液封之間的周圍環(huán)境溫度場(chǎng)是不穩(wěn)態(tài)場(chǎng)，即其溫度范圍在一183℃左右，就可能由于加熱塊的加熱作用和周圍環(huán)境的冷卻作用而頻繁出現(xiàn)氣泡產(chǎn)生和破滅的過程，從而導(dǎo)致液位波動(dòng)。波動(dòng)的范圍決定于溫度場(chǎng)的分布，一般而言，溫度梯度小，波動(dòng)范圍大，而溫度梯度大，波動(dòng)范圍小。
圖2低溫液體越過加熱塊到達(dá)液封外示意圖
3、解決措施：
以上分析可見，由于液位波動(dòng)受加熱塊溫度場(chǎng)分布支配，液位計(jì)顯示的波動(dòng)并不代表真實(shí)液位的波動(dòng)，并出現(xiàn)每次開車液位會(huì)先穩(wěn)定一段時(shí)間，然后產(chǎn)生波動(dòng)的現(xiàn)象。
解決這個(gè)問題有兩種辦法，是通過扒塔重新配置管路和加熱塊，改變溫度場(chǎng)徹底解決該問題，第二是僅改變?cè)摴苈防锏臏囟葓?chǎng)，使其汽液相交面移動(dòng)并穩(wěn)定在加熱塊處。若選擇種，隨著空分系統(tǒng)服務(wù)時(shí)間的增加，加熱塊附近的溫度場(chǎng)仍然可能變得不可控制，出現(xiàn)波動(dòng)的可能性依然存在;若選擇第二種，可加輔助氣源輔助其達(dá)到熱平衡，該方法用較少的投資和費(fèi)用就能解決問題。
當(dāng)通人外界氣源時(shí)，通人介質(zhì)的量、品質(zhì)和壓力需要慎重選擇以確保液位值的真實(shí)性。通人壓力過高、量過大，會(huì)導(dǎo)致取液下閥的加熱器前的液體蒸發(fā)，導(dǎo)致過量的外界氣體涌人下塔，造成塔體內(nèi)工藝介質(zhì)被污染，還會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值超限，無參考價(jià)值。實(shí)踐證明，通人管內(nèi)的氣量在原有液位測(cè)量值的基礎(chǔ)增加適當(dāng)?shù)母郊又担妥阋詽M足工藝要求。介質(zhì)的選擇具體要求有:
(1)介質(zhì)冷凝溫度低，可在與液空接觸的氣液兩相界面上形成一個(gè)較緩慢的傳熱傳質(zhì)區(qū)域，形成適合周圍環(huán)境的溫度場(chǎng)，就不易出現(xiàn)頻繁的氣泡產(chǎn)生和破滅現(xiàn)象，也就穩(wěn)定了液面。
(2)介質(zhì)須無水分，否則會(huì)在下塔管路中形成凍堵，給空分系統(tǒng)的安全造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。
(3)介質(zhì)壓力要比所需注人的環(huán)境壓力大一定值，還需保證其壓力的相對(duì)穩(wěn)定。
(4)介質(zhì)不能對(duì)所要配合的液面產(chǎn)生大面積污染，否則導(dǎo)致純度不合格或產(chǎn)生安全隱患。
通過實(shí)驗(yàn)獲知的數(shù)據(jù)表明經(jīng)處理后液空液面的波動(dòng)值降低了16倍，主冷的波動(dòng)降低到原先的1/4左右。其間對(duì)來自液位的信號(hào)給予相應(yīng)的技術(shù)處理，通過變PID控制方法，依據(jù)不同的液位和閥位調(diào)整開度，確立了一種經(jīng)驗(yàn)算法，可以保證主冷液面在整個(gè)空分工藝過程中偏差在土50 mm以內(nèi)，這種改進(jìn)也有效緩解了下塔液空液面的波動(dòng)情況。表1是改進(jìn)前后數(shù)據(jù)的對(duì)比。
同理，對(duì)粗氫n的液面也采用了類似處理，原先有毛刺和突跳的液面波動(dòng)也變得平滑。空分工藝過程的整體工況變得非常穩(wěn)定，抗沖擊性能大大加強(qiáng)，液氫產(chǎn)量從500 Nm'/h提升到810 Nm'/h，氧提取率上升了0. 2%。
4、結(jié)束語:
通過對(duì)問題的分析處理可知，在空分系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工中一定要重點(diǎn)關(guān)注加熱塊周圍的溫度場(chǎng)，加熱塊的配置位置和液封的位置不能隨意，否則會(huì)引起液面波動(dòng)，影響整個(gè)空分工藝過程的穩(wěn)定，使操作難度增大，經(jīng)濟(jì)效益下滑。
